Giải Mã Toàn Bộ Hệ Thần Kinh Trung Ương Ruồi Giấm: Bước Đột Phá Cho Khoa Học Thần Kinh, AI Và Robot

Đây là bản đồ kết nối thần kinh đầu tiên ở cấp độ khớp thần kinh của toàn bộ hệ thần kinh trung ương của bất kỳ động vật trưởng thành nào, một quy mô vượt xa mọi nỗ lực trước đây . Toàn bộ dữ liệu hiện có sẵn miễn phí tại flywire.ai, và nó đang nhanh chóng thay đổi cách các nhà nghiên cứu tìm hiểu mối liên hệ giữa mạch não và hành vi .

Bản đồ kết nối thần kinh tiết lộ điều gì

Phát hiện cốt lõi là một danh sách đầy đủ các thành phần và sơ đồ mạch điện cho một bộ não có khả năng đi bộ, bay, kiếm ăn, giao phối và học hỏi. Các nhà khoa học đã phân loại nơ-ron của ruồi giấm thành hơn 8.400 loại tế bào riêng biệt, làm sáng tỏ sự đa dạng đáng kinh ngạc của kiến trúc thần kinh . Sơ đồ dây thần kinh này cho thấy thông tin giác quan chảy vào não như thế nào, được xử lý ra sao, và cuối cùng kích hoạt các lệnh vận động trong chuỗi dây thần kinh bụng — mang đến cho các nhà khoa học một tầm nhìn trực tiếp từ tín hiệu cảm nhận đến hành động cụ thể .

Những sự thật quan trọng về dự án:

• Đây là bản đồ kết nối thần kinh đầu tiên của toàn bộ hệ thần kinh trung ương của một động vật trưởng thành, liên kết não bộ và chuỗi dây thần kinh bụng ở độ phân giải từng khớp thần kinh .
• Công trình được thực hiện bởi Tập đoàn FlyWire, một sự hợp tác toàn cầu kết hợp phân đoạn hình ảnh dựa trên AI với công việc hiệu đính thủ công của hàng trăm nhà khoa học công dân .
• Mọi nơ-ron và khớp thần kinh hiện đều có thể truy cập công khai trực tuyến, cho phép các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới khám phá, chú thích và tiếp tục xây dựng trên tài nguyên sống này .

Tại sao điều này quan trọng với khoa học thần kinh

Với bản vẽ chi tiết toàn bộ hệ thống dây thần kinh trong tay, các nhà khoa học thần kinh cuối cùng có thể truy vết cách các mạch điện cụ thể tạo ra những hành vi cụ thể. Họ có thể bắt đầu với một nơ-ron cảm giác — ví dụ, một nơ-ron phản ứng với mùi hương — và lần theo các kết nối khớp thần kinh qua các trung tâm xử lý cho đến các nơ-ron vận động điều khiển chuyển động . Tầm nhìn toàn diện từ đầu đến cuối này là điều không thể thực hiện trước khi bản đồ kết nối thần kinh ra đời.

Ruồi giấm vốn đã là một sinh vật mẫu quan trọng trong nghiên cứu bệnh tật ở người. Bản đồ kết nối thần kinh giờ đây cho phép các nhà khoa học kiểm tra cách các đột biến gen liên quan đến rối loạn não bộ ở người làm thay đổi hệ thống dây thần kinh, cung cấp một hệ thống dễ theo dõi để khám phá cơ chế bệnh . Nó cũng thiết lập một bản thiết kế chi tiết để mở rộng lĩnh vực kết nối học (connectomics) sang các loài lớn hơn, với một lộ trình rõ ràng hướng tới việc lập bản đồ não chuột và một ngày nào đó là não người .

Một cuốn sách hướng dẫn mới cho trí tuệ nhân tạo

Các mạng lưới thần kinh nhân tạo đã được truyền cảm hứng từ sinh học từ nhiều năm nay, nhưng bản đồ kết nối của ruồi giấm cung cấp một thứ gì đó cơ bản khác biệt: một kiến trúc sinh học đã được lập bản đồ đầy đủ, vốn tiến hóa để giải quyết các vấn đề thực tế với hiệu quả năng lượng cực cao . Các kỹ sư có thể nghiên cứu trực tiếp các mô-típ mạch điện ở ruồi và sử dụng chúng để thiết kế những con chip và thuật toán điện toán mô phỏng thần kinh (neuromorphic computing) mới, hoạt động giống bộ não hơn và ít phụ thuộc vào các kiến trúc học sâu phân lớp như hiện nay.

Quan trọng không kém là các công cụ AI được phát triển để xây dựng chính bản đồ kết nối này. Dự án dựa vào máy học (machine learning) để tự động phân đoạn nơ-ron từ ảnh kính hiển vi điện tử và sau đó tinh chỉnh chúng. Những kỹ thuật AI tương tự có thể được chuyển giao trực tiếp cho các dự án kết nối học trong tương lai ở những loài động vật lớn hơn, thúc đẩy tiến độ cho toàn bộ lĩnh vực .

Hệ lụy cho ngành robot và các hệ thống tự hành

Hệ thần kinh của ruồi giấm tích hợp thị giác, khứu giác, xúc giác và cảm giác bản thể (proprioception) để điều khiển việc đi bộ và bay lượn một cách nhanh nhẹn — tất cả chỉ với khoảng 140.000 nơ-ron . Hiểu được cách một mạch điện nhỏ gọn này đạt được khả năng điều hướng và tránh chướng ngại vật mạnh mẽ trong thời gian thực có thể dẫn đến các hệ thống điều khiển đơn giản hơn triệt để, tiêu thụ ít năng lượng hơn cho máy bay không người lái (drone) và robot siêu nhỏ . Thay vì sử dụng các bộ xử lý cồng kềnh chạy những mô hình AI khổng lồ, các robot tự hành trong tương lai có thể dựa vào các mạch điện nhẹ, lấy cảm hứng từ ruồi giấm, phản ứng với thế giới với tốc độ và độ chính xác tương tự.